Органични горива: видове, състав и класификация

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Традиционната енергия използва 2 вида гориво - органично и ядрено. Въпреки факта, че от втората половина на XX век. ядрената енергетика се развива много активно, преобладава делът на органичното гориво в общата структура. В момента той е основният източник за производство на топлинна и електрическа енергия. Общо около двеста от неговите видове се използват от човека, всеки от които има свои собствени характеристики и показатели.

Прегледи

Има няколко класификации на изкопаемите горива:

• По произход: естествен (натурален); изкуствен (получен чрез естествена обработка).
• По област на използване: енергия (за производство на електрическа и топлинна енергия); технологичен (за производство на различни промишлени продукти).
• Според физическото състояние на веществото (най-често срещаните са посочени в скоби): течност (мазут); твърди (изкопаеми въглища); газообразен (природен газ).
• По "живот": възобновяеми (дърва, растения); условно възобновяем, чийто периоднатрупването в земната кора е няколко хиляди години (торф); невъзобновяеми (въглища, шисти, нефт, газ).

За невъзобновяеми източници на гориво, периодът на натрупване е много пъти по-дълъг от прогнозния период на потребление.

Природно гориво

Естествените изкопаеми горива са разделени на следните групи:

• Фосили (извлечени от недрата): каменни и кафяви въглища; природен газ; торф; антрацит; масло; нефтени шисти и други.
• Изкуствен: бензин; керосин; шистово масло; горивни брикети; дървени въглища; хидролитичен лигнин; отпадъци от хранително-вкусовата, селскостопанската и целулозно-хартиената промишленост; мазут; газово гориво, получено като страничен продукт от преработката на нефтени шисти, топенето на желязо, пиролизата и други технологични процеси; отпадъци от дървообработване (сухи дървени стърготини, стърготини, буци).

Органично гориво от селскостопански отпадъци

От селскостопански отпадъци най-често се използват следните:

• люпи от слънчогледово семе;
• люспи от елда;
• оризова кора;
• слама.

Тъй като тези източници са малки, те най-често се използват като гориво за местни котли.

Произход

Според научните концепции, всички видове изкопаеми горива са образувани от растителни остатъци и съществуващи микроорганизмиот преди 500 хиляди до 500 милиона години. Натрупването им се извършва в онези части на земната кора, които са защитени от активно окисляване (плитки крайбрежни зони на резервоари, блата, дъното на моретата). Химичният състав на тези остатъци включва 4 основни елемента:

• въглехидрати;
• лигнин (междуклетъчно вещество на висшите растения);
• малоподобни вещества (смоли, восъци, естери на глицерол);
• протеини.

Останките от висши растения и мъхове, натрупани върху блатисти територии, стават основа за образуването на хумолити (изкопаеми въглища), микроводорасли и бактерии на дъното на резервоарите - сапропелити. Под въздействието на високо налягане и температура органичната материя се трансформира (въглимяване).

Хумолитите с ниска степен на въглеродност се наричат кафяви въглища. При по-високи температури хуминовите киселини се превръщат в неутрални хумини. Във въглищата има пълна липса на хуминови киселини.

В сапропелите при меки условия протичат предимно процесите на полимеризация на ненаситени въглеводороди с образуване на горими шисти, които по време на дестилацията дават голямо количество смола, подобна по състав на маслото. Метаморфозите на сапропела при високи температури и каталитичното участие на скалите доведоха до образуването на смес от въглеводороди в течно и газообразно състояние (нефт, природен, свързан газ).

Твърдо гориво

Твърдите изкопаеми горива са капилярно-порьозни хетерогенни материали. Тяхната структура съдържаголям брой пори и пукнатини. Преди изгаряне в топлоелектрически централи суровините се раздробяват в дробилки до размер 15-25 mm (слоево изгаряне в котли) или в прахообразно състояние, за да се намалят загубите от недоизгаряне.

Течните и твърдите изкопаеми горива се основават на 5 горими химични елемента: C, H₂, O_{2, S. Външно (пепелните остатъци след изгаряне, влага) и вътрешния (азот и кислород) баласт влошават качеството на горивото.}

Характеристики на твърдо гориво

Основните видове горими органични горива, техните степени и кратко описание са представени в таблицата по-долу.

Вид гориво	Марки и разновидности	Характеристика
Кафеви въглища	1B, 2B, 3B (в зависимост от капацитета на влага)	нискокачествено гориво; висока хигроскопичност и влажност; ниска механична якост; висок добив на летливи съединения; намалено съдържание на въглерод; повишена склонност към спонтанно запалване; калорична стойност 7-20 MJ/kg.
Въглища, антрацити	D, 1G, 2G, 1GJ, 2GJ, 1J, 2J, 1K, 2K, 1KO, 2KO, 1KS, 2KS, 1OS, 2OS, TS, 1SS, 2SS, 3SS, 1T, 2T, 1A, 2, 3А	традиционно гориво; висока калоричност (до 25 MJ/kg); високо съдържание на въглерод; ниска хигроскопичност и влажност; високосила; добив на летливи компоненти 3-40%.
торф	фрез; бучка	местен тип гориво; висока влажност; висок добив на летливи съединения; склонност към спонтанно запалване; калорична стойност след сушене – 8 MJ/kg.
Нефтени шисти	хумит-сапропелит; сапропелитни кукерси (класификация по произход).	най-високо променливо съдържание; високо реактивно гориво; средна калоричност – 4,6-9 MJ/kg; нискокачествено гориво, използвано за местни нужди, а също и като суровина за производството на високоенергийни горива (шистово масло, газообразни горива).

Влияние на влагата

Високото съдържание на влага затруднява запалването на горими материали, намалява температурата в пещта, увеличава загубата на топлина. Горивата, които се характеризират с дълга геоложка възраст, имат малко вода в състава си (лигнит, торф).

Има няколко вида влага:

• сорбция, натрупваща се на границата на твърдата и газообразната фаза;
• капиляр (пора);
• повърхностен (намира се на външната повърхност на парчетата);
• хидратиран (състоящ се от кристални хидрати).

Първите 3 вида влага могат да бъдат отстранени от твърдите изкопаеми горива чрез изсушаванепри температура 105 ° C, последното - само чрез химични реакции при нагряване до 700-800 ° C. По време на транспортиране и съхранение на открито съдържанието на вода може да се увеличи значително, влошавайки качеството на горивото.

Минерални примеси

Всички видове твърди горива съдържат минерални примеси, състоящи се главно от следните съединения:

• силикати;
• сулфиди;
• карбонатни соли на Ca, Mg и Fe;
• фосфати;
• хлориди;
• калциев и железен сулфати.

По време на изгарянето на изкопаемите горива те претърпяват високотемпературна трансформация, в резултат на което остава твърда негорима пепел. Съставът му е много различен от оригиналните вещества поради следните реакции:

• трансформация на соли на железния оксид в оксиди;
• дехидратация на силикатни съединения;
• разграждане на карбонати, освобождаване на CO_{2, образуване на оксиди;}
• окисление на серни съединения, освобождаване на серен диоксид;
• изпаряване на соли на алкални метали.

Крайният състав на пепелния остатък зависи от условията на изгаряне на изкопаеми горива. При високи температури може да се стопи и да премине в течно състояние (шлака). Част от пепелта се отстранява от пещите заедно с летливите продукти от горенето, което води до замърсяване, шлака и корозивно износване на пещното оборудване.

Термично разлагане

Твърдите изкопаеми горива преминават през няколко етапа на разлагане при изгаряне:

• бертинация (температура до 300 °С, отделят се въглероден диоксид и въглероден оксид, водород и въглеводороди, пирогенна вода);
• полукоксуване (400-450 °С, освобождава се основният обем горим газ);
• коксуване (700-1100 °C, завършване на процеса на освобождаване на летливи съединения).

Продуктите на горене на изкопаемите горива се наричат съответно бертинати, полукокс, кокс.

Най-ниската калоричност е за високопепелни шисти, мокър торф и кафяви въглища, а най-високата е за антрацити. По-ниската калоричност, при която водната пара излиза в атмосферата и не кондензира, за твърди горива е 4,6-26 MJ / kg.

Течни горива

Течните изкопаеми горива за енергийната индустрия се получават от нефт чрез неговото термохимично разлагане. Мазутът се използва в големи съоръжения (ТЕЦ, котелни), а за битови нужди се използват дестилатни фракции от петролни продукти (бензин, керосин, дизелово гориво, дизелово гориво)..

Мазутът, подобно на маслото, е сложно колоидно съединение. Неговият химичен състав варира в следните граници (като процент):

• въглерод – 86-89;
• водород - 9, 6-12;
• сяра - 0, 3-3, 5;
• кислород и азот - 0, 5-1, 7.

Видове мазут

Класификацията на мазута е както следва:

• По съдържание на сяра: ниско съдържание на сяра (<0, 5%); ниско съдържание на сяра (0,5-1%); сярна (1-2%); високо съдържание на сяра (2-3,5%).
• По вискозитет (в скоби самарки): леки или военноморски (F5, F12); среда (40V, 40); тежък (100, 200 и 100V); въглища и шисти (образувани при преработката на шисти и въглища).

Теплотворната стойност на течното гориво варира между 39-41 MJ/kg.

Газови горива

Съставът на газообразното гориво включва следните вещества:

• запалим (наситени въглеводороди, H₂, CO, H_{2S) и негорим (въглероден диоксид и сяра, азот, кислород, атмосферен въздух) газове;}
• водна пара;
• смола;
• прах.

Следните видове изкопаеми горива са най-широко използвани:

• Природен газ. Основният компонент е метанът. Преди консумация газът се изсушава, обезпрашава и се отстраняват вредните примеси от сероводород.
• Свързан газ, освободен по време на добива на петрол. Отделянето на въглеводороди от течната фаза се извършва в сепаратори. Обемната част на метана е по-малка, отколкото в природния газ, а тежките въглеводороди е по-висока. В тази връзка се отделя повече топлина по време на изгарянето на изкопаеми горива.
• Втечнен газ. Основните компоненти са пропан и бутан, както и примеси от тежки въглеводороди. При температура от 20 ° C и атмосферно налягане той приема газообразно състояние. При повишаване на налягането или понижаване на температурата газът преминава в течна фаза, която се използва за неговото транспортиране. Суровината за този вид гориво е свързан газ и газ, получени по време на рафинирането на нефт.
• Коксов газ. Това е страничен продукт, образуван по време накоксуване на въглища. Първоначалният продукт се пречиства от вредни примеси, амоняк, ароматни въглеводороди. Добивът е до 3000 кубически метра от 1 тон въглища.
• Газ за доменна пещ. Образува се в резултат на взаимодействието на кокс и железни руди при продухването им в доменни пещи. Добив – 2200-3200 m3 на 1 тон чугун.

Теплотворната стойност на газовото гориво зависи от неговия химичен състав и е в диапазона от 4-47 MJ/m3. Почти всички видове горими газове са по-леки от въздуха и се натрупват под таваните при изтичане. Най-ниската концентрация в смес с въздух, необходима за запалване, е пентанът (1,4% обемни).

Дадени спецификации

За сравнителен анализ на свойствата на различните видове гориво се използват дадените характеристики, определени като съотношението на качествения индекс на работното гориво към неговата специфична по-ниска калоричност.

Основните изчислени индикатори са:

• влажност;
• съдържание на пепел;
• съдържание на сяра и азот.

В горивната и енергийната индустрия концепцията за референтно гориво също се използва за сравняване на ефективността на използваното гориво. Това е гориво, чиято най-ниска специфична топлина на горене в работно състояние е 7000 kcal/kg. За всеки тип гориво е възможно да се изчисли безразмерният топлинен коефициент като съотношение на присъщата специфична топлина на изгаряне към тази стойност за еталонното гориво.

Когато изкопаемите горива са напълно изгорени, се образуват триатомни газове (въглероден диоксид и серен диоксид)газ) и вода. Разходът на вещества (за 1 мол гориво), участващи в изгарянето, се изчислява по формулите въз основа на условието, че целият кислород, доставян с въздуха, ще реагира. Такива уравнения се наричат материален баланс на горенето.

В реални условия изчислените стойности се коригират с помощта на коефициенти, тъй като винаги е необходимо повече въздух за пълно изгаряне. За да се определи температурата на продуктите от горенето, се съставя топлинният баланс на реакцията на окисление (на 1 kg течно или твърдо изкопаемо гориво или на 1 m3 за газообразно гориво). От гледна точка на физиката, уравнението на топлинния баланс не е нищо повече от форма на записване на закона за запазване на енергията.